晶体管放大电路温漂特性智慧教室仿真探讨

杨 丹， 徐 彬

(东北大学 信息科学与工程学院， 辽宁 沈阳 110819)

0 引言

“模拟电子技术”(简称“模电”)课程作为电类专业的主干专业基础课程, 理论性、实践性和工程性都很强， 在电类专业人才培养方面具有承前启后作用。 笔者所在学校的自动化、电气工程、测控技术、电子科学与工程、电子信息工程、通信工程6个专业，均开设该课程作为专业基础必修课学习。多年教学实践告诉我们，学生要想学好“模电“必须清晰地理解“器件-电路-应用”课程主线，扎实地掌握由晶体管构成的放大电路及其衍生基本问题，才能真正实现“模电”课程工程入门。

随着高等教育不断完善，教学的课堂模式也不断更新，慕课、雨课堂等多种教学新模式不断涌现。针对“模电”课程知识点多、授课时间紧等诸多问题，我校在新一轮“模电”教学过程中，开展了基于中国慕课在线的“模电”混合式教学实践。学生通过线上自学，智慧教室研讨等形式深入学习“模电”课程中的重点和难点，教学效果良好。

本文介绍在智慧教室课程教学中对于晶体管放大电路温漂的讨论，通过分压式静态工作点稳定电路和差分晶体管放大电路两个实例，运用Mutisim仿真，探讨电路形式对放大电路温度漂移的影响，让学生在智慧教室，通过自己动手仿真实验切身体会温漂对放大电路的影响，深入理解温度对放大电路性能产生的影响。

1 晶体管放大电路的温漂问题

1.1 温漂产生的原因

对于晶体管放大电路而言，要实现信号的有效放大，必须有一个合适稳定的静态工作点。而在实际应用中，环境温度变化、晶体管的更换、电路器件的老化以及电源电压的波动等因素都可能使得静态工作点产生波动，从而影响放大电路的性能。

由于半导体材料的热敏特性，晶体管中载流子的数量与温度有关，尤其是少子数量受温度影响很大，几乎晶体管全部参数均对温度敏感，因此温度变化对晶体管放大电路的影响最大。由于温度变化，引起晶体管参数变化，从而使得放大电路静态工作点产生变化，被定义为放大电路的温漂。

1.2 抑制温漂的典型电路

针对放大电路中晶体管的温漂常用的两种典型电路为分压式直流负反馈电路和差分放大电路。

1 分压式直流负反馈电路

放大电路中Q点稳定指的是晶体管输出特性曲线上Icq和Uceq不变。而一般的晶体管放大电路的偏置电路中Icq和管压降Uceq是晶体管电流放大倍数的函数。而晶体管放大倍数受温度影响，从而使得电路中集电极电流和管压降Uceq波动。图1所示分压式直流负反馈放大电路中，通过电路中参数Rb1和Rb2参数选择，保证Icq和Uceq不随晶体管放大倍数变化而变化，放大电路Q点稳定。

图1 分压式直流负反馈静态工作点典型电路

2 差分放大电路

差分放大电路是集成运算放大器的第一级，当环境温度变化时，虽然两边管子的集电极电流都增大或者减小，使得两个管子集电极电位均产生相同趋势变化。电路参数选择保证电路理想对称。从而使得放大电路输出稳定。

图2 单入单出差分放大的典型电路

2 电路实例的Multisim仿真

基于智慧教室的混合式教学开展过程：首先对学生进行分组，结合线上慕课和线下授课学习掌握放大电路的温漂特性；在进入智慧教室之前，要求学生开展分压式静态工作点稳定电路和差分电路的参数选取和理论计算；进入智慧教室后，通过Multisim仿真典型电路与理想分析结果比较，说明理论与仿真存在差异的原因，重点仿真放大电路对温度的响应。

2.1 分压式静态工作点稳定电路

分压式直流负反馈仿真电路示于图3。

图3 分压式直流负反馈仿真电路设计

1)理论分析

由于IB较小，近似认为Rb1与Rb2直接分压，此时可计算B点电位有：

(1)

此时由于晶体管为NPN型硅管，取开启电压：

UBEQ=0.7 V

(2)

则有：

(3)

UCEQ=Vcc-RcICQ-ReIEQ=1.92 V

(4)

此时的电压放大倍数：

(5)

输入电阻：

Ri=Rbe//Rb1//Rb2=1.33k Ω

(6)

输出电阻：

Ro=RC=2k Ω

(7)

2)仿真实验

利用电流探针、电压探针对搭建的仿真电路进行测量，当测量静态工作点时将电压源置零，当测量电压放大倍数时将电压源设置为10mV，实验电路如下图4所示。

图4 分压式直流负反馈电路的仿真示意图

利用Multisim的温度分析，对该电路温度从 25℃上升到100℃时，电路产生输出电压的偏差进行瞬态分析，其仿真实验结果如图5所示,(a)为电路输出电压波形，(b)为电路输出电压的幅值。

(a)25°和100°电路输出波形

(b)25°和100°电路输出的幅值图5 分压式直流负反馈电路温度分析

电压最小时波动百分比：

(8)

电压最大时波动百分比：

(9)

2.2 差分放大电路

差分数大仿真电路如图6所示。

1)理论分析

计算晶体管VT3的B点电位：

(10)

晶体管为NPN型硅管，取开启电压：

UBEQ=0.7 V

(11)

则有

(12)

由电路的对称性，有：

(13)

且有VT2和VT1的C点电位：

UC1=UC2=VCC-IC1RC1=10.48V

(14)

计算二极管体电阻：

(a)25°和100°电路输出波形

(15)

此时的电压放大倍数：

(16)

差模输入电阻

Rid=2(Rb+rbe)=2×(1+3.75526)≈9.51kΩ

(17)

输出电阻

Ro=RC=2k Ω

(18)

2)温度分析

电压最小时波动百分比：

(19)

电压最大时波动百分比：

(20)

2.3 案例分析

1)电路分析

分压式静态工作点稳定电路在稳定静态工作点方面采用的是直流负反馈，一是通过电路参数选取使得晶体管的基极电位不受温度影响，同时利用Re电阻的直流负反馈作业使得晶体管输出Icq和Uceq不变。差分放大电路是实际上采用了两个环节稳定静态工作点：对于一侧晶体管放大电路而言，用恒流源电路相当于射级电阻Re无穷大，即直流负反馈稳定一侧晶体管的输出；同时，再利用电路对称性，进一步稳定电路最终的输出，从温度稳定性角度来说，采用了两个环节。在对两个电路温度稳定性仿真的结果看也证明了上述理论分析。显然，差分放大电路的温度稳定性要明显优于分压式直流负反馈放大电路。此外，在仿真分析的过程中，学生确实看到当温度变化时，即使放大电路参数均不变，电路的输出也会发生改变。

2)授课安排

对于温漂知识点学习，安排2学时智慧教室，参与学习人数60人，授课教师2人，每组人数约3-4人。组内分工：1人负责电路理论分析与计算、仿真电路参数设计；1人负责电路仿真及数据整理；1人负责报告撰写及实验展示。在智慧教室课堂教师和学生可以零距离互动，如图8所示。从教学效果看，学生对于在平时线下课堂难于理解和体会的温漂问题，有了感性认识，同时对于放大电路的各种形式有进一步了解。

图8 智慧教室课堂师生讨论

3 结语

温漂问题是“模电”教学中的难点，也是模拟电子技术工程问题的重点。为了让学生在高等教育的课程体系中对于这样的问题，有深入理解，本文提出了基于智慧教室的温漂问题仿真探讨。学生能够独立进行抑制温漂电路的理论分析、电路设计和仿真分析，特别是通过仿真环节，进一步体会温度对放大电路产生的影响。在智慧教室中的分组学习、师生互动取得了良好的教学效果，受到学生的广泛赞誉。